CN101612824B

CN101612824B - 一种金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺与应用

Info

Publication number: CN101612824B
Application number: CN2009103052026A
Authority: CN
Inventors: 曾广胜; 刘跃军; 江太君; 石璞
Original assignee: 李新桥
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2029-08-05
Also published as: CN101612824A

Abstract

一种金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺与应用，该金属/陶瓷三层复合材料由金属层，陶瓷层，金属/陶瓷过渡层构成，金属/陶瓷过渡层位于金属层和陶瓷层之间，其中金属过渡层厚度占复合材料总厚度的50-75％，金属层厚度与陶瓷层厚度相等。本发明还包括所述金属/陶瓷三层复合材料的制备工艺。本发明金属/陶瓷三层复合材料耐磨性能好，耐高温，耐腐蚀，装配有用其制造的缸筒的液压缸工作稳定可靠，使用寿命长，维修费用低。

Description

一种金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺与应用

技术领域

本发明涉及一种金属/陶瓷复合材料及其制备工艺与应用，尤其是涉及一种金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺与应用。

背景技术

材料的耐磨性与韧性等多项性能的统一是现代材料研究的热点之一。

陶瓷是一种集耐磨、耐高温、高硬度和抗腐蚀等多种优良性能于一体的高性能材料，但是在常温下，韧性差，且成型困难；金属则恰恰相反，具有陶瓷所没有的可塑性和韧性，将这两种材料通过一定的工艺复合在一起，构成一种新结构材料，应当可以兼备两者的优点。

液压缸在日常生活与生产中的应用越来越广泛，主要存在的问题是随着液压缸使用时间增长，液压缸内壁与活塞的磨损日益严重，造成油缸因刮伤而漏油、泄压。为了解决液压缸筒的耐磨问题，目前普遍采用的方法是对液压缸筒内壁进行滚压、研磨、高频淬火、镀铬、激光处理等等，这些工艺成本相对较高，且对液压缸筒的耐磨性提升也不大，使用约两年后仍然会出现严重磨损，甚至报废。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种耐磨、耐高温、耐腐蚀并具有可塑性和韧性的金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺，使用该金属/陶瓷三层复合材料制造的液压缸可以有效防止活塞长期磨擦造成液压缸内壁的刮伤和泄压，使用寿命延长。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明之金属/陶瓷三层复合材料，其由金属层，陶瓷层，金属/陶瓷过渡层构成，金属/陶瓷过渡层位于金属层和陶瓷层之间，所述金属/陶瓷过渡层厚度占材料总厚度的50-75％，金属层厚度与陶瓷层厚度相等。

所述金属层由基体金属粉末加入添加剂石蜡、甲醛、大豆油混合均匀烧结而成，所述添加剂各组分重量配比为：石蜡47-55％，甲醛43-52％，大豆油1.5-4.5％；陶瓷层由基体陶瓷粉末加入添加剂石蜡、高密度聚乙烯、硬脂酸混合物烧结而成，所述添加剂各组分重量配比为：石蜡27-46％，高密度聚乙烯35-45％，硬脂酸15-30％；金属/陶瓷过渡层由基体金属粉末与基体陶瓷粉末及添加剂的混合物烧结而成，且金属粉末种类与金属层的基体金属粉末相同，陶瓷粉末与陶瓷层的基体陶瓷粉末种类相同，金属粉末占全部粉料质量的8％-12％，添加剂组分及重量配比为；高密度聚乙烯30-45％，硬脂酸6-11％，石蜡25-35％，聚乙烯蜡8-15％，聚丙烯8-15％；所述各种粉料与添加剂的重量配比为：粉料65-75％(优选70％)，添加剂25-35％(优选30％)。

所述金属粉末可为铁锌合金粉末、铝锌合金粉末或钛镍合金粉末；

所述陶瓷粉末可为Si₃N₄陶瓷粉末、SiC陶瓷粉末、Al₂O₃陶瓷粉末、AlN陶瓷粉末或TiB₂陶瓷粉末。

本发明金属/陶瓷三层复合材料的制备工艺为：

1)将三种不同粉末原料分别进行研磨细化处理，粒径控制在0.8μm-1.2μm范围内，并与相应添加剂混合均匀；

2)将三种不同混合料分别在双螺杆挤出机中挤出造粒，粒径最终控制在3mm-5mm；

3)将所述三种不同混合料通过分层注射成型工艺制成坯体；

4)将坯体在280-320℃，两个大气压的氮气氛围下脱脂46-55小时，再在1500-1600℃、200-260Mpa下烧结50-70分钟形成致密工件。

在烧结过程中陶瓷和金属粉体会发生原位反应形成陶瓷与金属复合体，粉体中加入的各种添加剂有助于陶瓷和金属界面处的结合。金属/陶瓷过渡层的理化性质介于金属层与陶瓷层之间，一方面缓和了两种不同材料不同性能之间的冲突，另一方面通过物理渗透和化学反应的方式使金属层与陶瓷层可以很好的结合在一起，促进两种不同材料之间力与热的传递，有效提高材料的复合性能。陶瓷的模量远大于金属，金属的韧性优于陶瓷，陶瓷/金属过渡层中既含有金属成分又含有陶瓷成分，减弱了金属层与陶瓷层结构上的突变，削弱了陶瓷/金属过渡层的总体模量与金属层、陶瓷层之间的差距，减小了金属层、陶瓷层结构在外力作用下产生的残余应力，提高材料的抗振动性能。

本发明金属/陶瓷三层复合材料耐磨性能好，耐高温，耐腐蚀，装配有用其制造的缸筒的液压缸工作稳定可靠，使用寿命长，维修费用低，拓展了应用范围。

附图说明

图1为本发明金属/陶瓷三层复合材料结构示意图。

图2为使用金属/陶瓷三层复合材料的液压缸结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

参照图1，本实施例之金属/陶瓷三层复合材料实施例由铁锌合金层1、Si₃N₄陶瓷层3、铁锌合金/Si₃N₄陶瓷过渡层2构成，铁锌合金层1厚3毫米，Si₃N陶瓷层3厚3毫米，铁锌合金/Si₃N₄陶瓷过渡层2厚8毫米。

所述铁锌合金层1由基体铁锌合金粉末加入添加剂石蜡、甲醛、大豆油混合均匀烧结而成，重量配比为：铁锌合金粉末∶石蜡∶甲醛∶大豆油＝0.7∶0.12∶0.13∶0.05；Si₃N₄陶瓷层3由Si₃N₄陶瓷粉末及添加剂石蜡、聚乙烯、硬脂酸混合均匀烧结而成，重量配比为：Si₃N₄陶瓷粉末∶石蜡∶聚乙烯∶硬脂酸＝0.7∶0.11∶0.1∶0.09；铁锌合金/Si₃N₄陶瓷过渡层2由基体铁锌合金粉末和Si₃N₄陶瓷粉末及添加剂混合均匀烧结而成，全部粉末与添加剂质量比为：7∶3，且铁锌合金粉末含量占全部粉料重量的10％，Si₃N₄陶瓷粉末占全部粉料重量的90％，添加剂重量组成为：高密度聚乙烯高密度聚乙烯42％，硬脂酸10％，石蜡26％，聚乙烯蜡12％，聚丙烯10％。

本实施例之金属/陶瓷三层复合材料实施例的制备工艺为：1)将各层粉末原料分别进行研磨细化处理，粒径控制在0.8μm-1.2μm范围内，并与所述各种添加剂混合均匀；2)将各层混合料分别在双螺杆挤出机中挤出造粒，粒径控制在3mm-5mm；3)将所述各层材料通过分层注射成型制成液压缸缸筒坯体；4)将液压缸缸筒坯体在300℃，两个大气压的氮气氛围下脱脂48小时，再在1550℃250Mpa下烧结1小时形成致密液压缸筒工件。

与液压缸构件的装配(参照图2)：将活塞杆6通过螺纹与活塞5固接，活塞5表面中间安装有密封橡胶垫圈4，活塞杆6穿过导向套7，活塞5装入所述液压缸缸筒。

所述复合材料陶瓷层3表面光滑且永不生锈，不存在无缝钢管内表面凸状螺旋线，阻力系数很小，活塞5运行时，活塞5与液压缸内表面之间的摩擦力减小，能量损耗随之减少。常温下，液压缸筒体受力时，金属层1与陶瓷层3弹性模量不一样，陶瓷层3变形小，表现为压力，金属层1变形大，表现为拉力，当温度升高时，又由于两者的膨胀系数不一样，热膨胀产生的新应力场和原来的应力场相互抵消，达到新的平衡，故可以适应不同的工作温度条件。

所述内层陶瓷层3硬度高，耐热、耐摩擦、抗腐蚀性强，工作过程中，活塞5即使在很大偏载作用下也不会对液压缸筒内壁造成刮伤，液压油中含有的腐蚀成份也不会对液压缸筒的内表面造成腐蚀。金属层1质地较软，且有很强的延展性和韧性，当液压缸筒受到严重冲击或静压时，这种结构可以有效地吸收冲击能量，减少冲击和过高静压对陶瓷层3的损伤。

使用本实施例复合材料制造的内径20mm液压缸，经检测和使用测试，在900℃高温下缸体无任何损坏；缸体内壁在浓硫酸和浓盐酸作用72小时无任何腐蚀现象；与柱塞竿配套在300Mpa压力下连续工作50万次缸体内壁无任何明显磨损迹象。

实施例2

本发明之金属/陶瓷三层复合材料实施例铝锌合金层厚3毫米，SiC陶瓷层厚3毫米，铝锌合金/SiC陶瓷过渡层厚6毫米，铝锌合金/SiC陶瓷过渡层位于铝锌合金层和SiC陶瓷层之间。

所述铝锌合金层由基体铝锌合金粉末及添加剂石蜡、甲醛、大豆油混合均匀烧结而成，重量配比为：铝锌合金粉末∶石蜡∶甲醛∶大豆油＝0.7∶0.12∶0.1∶0.08，陶瓷层组分由SiC陶瓷粉末及添加剂石蜡、聚乙烯、硬脂酸混合均匀烧结而成，其重量比为：SiC陶瓷粉末∶石蜡∶聚乙烯∶硬脂酸＝0.68∶0.09∶0.15∶0.08；铝锌合金/SiC陶瓷过渡层由基体铝锌合金粉末、SiC陶瓷粉末及添加剂混合均匀烧结而成，所有粉末原料与添加剂的质量比为0.7∶0.3，铝锌合金粉末占全部粉末原料质量的8％，SiC陶瓷粉末占全部粉料重量的92％，添加剂重量组成为：高密度聚乙烯高密度聚乙烯45％，硬脂酸7％，石蜡30％，聚乙烯蜡8％，聚丙烯10％。

制备工艺同实施例1。

使用本实施例复合材料制造的内径20mm液压缸，经检测和使用测试，在800℃高温下缸体无任何损坏；缸体内壁在浓硫酸和浓盐酸作用72小时无任何腐蚀现象；与柱塞竿配套在300Mpa压力下连续工作50万次缸体内壁无任何明显磨损迹象。

实施例3

本发明之金属/陶瓷三层复合材料实施例金属层厚2.5毫米，陶瓷层厚2.5毫米，金属/陶瓷过渡层厚7毫米，金属/陶瓷过渡层位于金属层和陶瓷层之间。

所述金属层由基体钛镍合金粉末及添加剂石蜡、甲醛、大豆油混合均匀烧结而成，其重量比为：钛镍合金粉末∶石蜡∶甲醛∶大豆油＝0.65∶0.15∶0.12∶0.8，陶瓷层组分由Al₂O₃陶瓷粉末及添加剂石蜡、聚乙烯、硬脂酸混合均匀烧结而成，其重量比为：Al₂O₃陶瓷粉末∶石蜡∶聚乙烯∶硬脂酸＝0.65∶0.11∶0.14∶0.10；金属/陶瓷过渡层由基体钛镍合金粉末、Al₂O₃陶瓷粉末及添加剂混合均匀烧结而成，所有粉末原料与添加剂的质量比为0.7∶0.3，且钛镍合金粉末占所有原料粉末质量的9％，Al₂O₃陶瓷粉末占全部粉料重量的91％，添加剂重量组成为：高密度聚乙烯40％，硬脂酸10％，石蜡25％，聚乙烯蜡10％，聚丙烯15％。

本发明之金属/陶瓷三层复合材料实施例的制备工艺为：1)将三层不同粉末原料分别进行研磨细化处理，粒径控制在0.8μm-1.2μm范围内，并与上述各种添加剂混合均匀；2)将三层不同粉末混合料分别在双螺杆挤出机中挤出造粒，粒径控制在3mm-5mm；3)将所述各层材料通过分层注射成型制成液压缸缸筒坯体；4)将液压缸缸筒坯体在300℃，两个大气压的氮气氛围下脱脂50小时，再在1500℃，200Mpa下烧结1小时形成致密液压缸筒工件。

使用本实施例复合材料制造的内径20mm液压缸，经检测和使用测试，在700℃高温下缸体无任何损坏；缸体内壁在浓硫酸和浓盐酸作用72小时无任何腐蚀现象；与柱塞竿配套在300Mpa压力下连续工作50万次缸体内壁无任何明显磨损迹象。

实施例4

本发明之金属/陶瓷三层复合材料实施例金属层厚2毫米，陶瓷层厚2毫米，金属/陶瓷过渡层厚8毫米，金属/陶瓷过渡层位于金属层和陶瓷层之间。

所述金属层由基体铁锌合金粉末及添加剂石蜡、甲醛、大豆油混合均匀烧结而成，它们的重量比为：0.67∶0.14∶0.14∶0.05，陶瓷层由AlN陶瓷粉末及添加剂石蜡、聚乙烯、硬脂酸混合均匀烧结而成，其重量比为：AlN陶瓷粉末∶石蜡、聚乙烯、硬脂酸0.67∶0.15∶0.13∶0.05，金属/陶瓷过渡层由铁锌合金粉末、AlN陶瓷粉末及添加剂混合均匀烧结而成，所有粉末原料与添加剂的质量比为0.7∶0.3，且铝合金粉末占所有原料粉末粉末质量的11％，Al₂O₃陶瓷粉末占全部粉料重量的89％，添加剂为高密度聚乙烯30％，硬脂酸10％，石蜡30％，聚乙烯蜡15％，聚丙烯15％。

制备工艺与实施例1类同。

使用本实施例复合材料制造的内径20mm液压缸，经检测和使用测试，在700℃高温下缸体无任何损坏；缸体内壁在浓硫酸和浓盐酸作用下48小时无任何腐蚀现象；与柱塞竿配套在300Mpa压力下连续工作50万次缸体内壁无任何明显磨损迹象。

实施例5

本发明之金属/陶瓷三层复合材料实施例金属层厚1.5毫米，陶瓷层厚1.5毫米，金属/陶瓷过渡层厚9毫米，金属/陶瓷过渡层位于金属层和陶瓷层之间。

所述金属层组分包括基体铁锌合金粉末及添加剂石蜡、甲醛、大豆油混合均匀烧结而成，其重量比为：0.70∶0.12∶0.11∶0.07，陶瓷层组分包括TiB₂陶瓷粉末及添加剂石蜡、聚乙烯、硬脂酸混合均匀烧结而成，其重量比为：0.70∶0.10∶0.13∶0.07，金属/陶瓷过渡层组分包括基体铁锌合金粉末混合均匀烧结而成，所有粉末原料与添加剂的质量比为0.7∶0.3，且铁锌合金粉末占全部原料粉末粉末质量的12％，TiB瓷粉末占全部粉料重量的88％，添加剂重量组成为高密度聚乙烯43％，硬脂酸11％，石蜡30％，聚乙烯蜡8％，聚丙烯8％。

本发明之金属/陶瓷三层复合材料实施例的制备工艺为：1)将三层不同粉末原料分别进行研磨细化处理，粒径控制在0.8μm-1.2μm范围内，并与上述各种添加剂混合均匀；2)将三层不同粉末混合料分别在双螺杆挤出机中挤出造粒，粒径最终控制在3mm-5mm；3)将所述各层材料通过分层注射成型制成液压缸缸筒坯体；4)将液压缸缸筒坯体在290℃，两个大气压的氮气氛围下脱脂55小时，再在1550℃210Mpa下烧结1小时形成致密液压缸筒工件。

使用本实施例复合材料制造的内径20mm液压缸，经检测和使用测试，在700℃高温下缸体无任何损坏；缸体内壁在浓硫酸和浓盐酸作用下24小时无任何腐蚀现象；与柱塞竿配套在300Mpa压力下连续工作50万次缸体内壁无任何明显磨损迹象。

Claims

1. 一种金属/陶瓷三层复合材料，其特征在于，由铁锌合金层、Si₃N₄陶瓷层、铁锌合金/Si₃N₄陶瓷过渡层构成，铁锌合金层厚3毫米，Si₃N₄陶瓷层厚3毫米，铁锌合金/Si₃N₄陶瓷过渡层厚8毫米；

所述铁锌合金层由基体铁锌合金粉末加入添加剂石蜡、甲醛、大豆油混合均匀烧结而成，重量配比为：铁锌合金粉末:石蜡:甲醛:大豆油=0.7:0.12:0.13:0.05；Si₃N₄陶瓷层由Si₃N₄陶瓷粉末及添加剂石蜡、聚乙烯、硬脂酸混合均匀烧结而成，重量配比为：Si₃N₄陶瓷粉末:石蜡:聚乙烯:硬脂酸=0.7:0.11:0.1:0.09；铁锌合金/Si₃N₄陶瓷过渡层由基体铁锌合金粉末和Si₃N₄陶瓷粉末及添加剂混合均匀烧结而成，全部粉末与添加剂质量比为：7:3，且铁锌合金粉末含量占全部粉料重量的10%，Si₃N₄陶瓷粉末占全部粉料重量的90%，添加剂重量组成为：高密度聚乙烯42%, 硬脂酸10%, 石蜡26%, 聚乙烯蜡 12%，聚丙烯10%。

2.一种金属/陶瓷三层复合材料，其特征在于，由铝锌合金层、SiC陶瓷层、铝锌合金层/SiC陶瓷过渡层构成，铝锌合金层厚3毫米，SiC陶瓷层厚3毫米，铝锌合金/SiC陶瓷过渡层厚6毫米，铝锌合金/SiC陶瓷过渡层位于铝锌合金层和SiC陶瓷层之间；

所述铝锌合金层由基体铝锌合金粉末及添加剂石蜡、甲醛、大豆油混合均匀烧结而成，重量配比为：铝锌合金粉末:石蜡:甲醛:大豆油=0.7:0.12:0.1:0.08，陶瓷层组分由SiC陶瓷粉末及添加剂石蜡、聚乙烯、硬脂酸混合均匀烧结而成，其重量比为：SiC陶瓷粉末:石蜡:聚乙烯:硬脂酸=0.68:0.09:0.15:0.08；铝锌合金/SiC陶瓷过渡层由基体铝锌合金粉末、SiC陶瓷粉末及添加剂混合均匀烧结而成，所有粉末原料与添加剂的质量比为0.7：0.3，铝锌合金粉末占全部粉末原料质量的８%，SiC陶瓷粉末占全部粉料重量的92%，添加剂重量组成为：高密度聚乙烯45%, 硬脂酸7%, 石蜡30%, 聚乙烯蜡 8%，聚丙烯10%。

3.如权利要求1或2所述金属/陶瓷三层复合材料在制造液压缸缸筒中的应用。